1 引言

    軸類零件按結(jié)構(gòu)形狀可分為光軸、階梯軸和曲軸3大類。軸類零件的加工方法通常有鑄造、鍛造及車削等等，一般對(duì)于復(fù)雜的重要主軸，大批生產(chǎn)時(shí)采用模鍛件，單件小批生產(chǎn)，則采用自由鍛。其機(jī)械加工工藝規(guī)程的編制是在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)科學(xué)理論和必要的工藝試驗(yàn)而制訂的，是一個(gè)繁瑣復(fù)雜的過(guò)程。工藝設(shè)計(jì)人員需要通盤考慮產(chǎn)品圖紙、生產(chǎn)綱領(lǐng)、現(xiàn)場(chǎng)加工設(shè)備以及生產(chǎn)條件等多種因素，因此對(duì)設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)提出較高的要求。最初的工藝規(guī)程的制訂是由工藝設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)并通過(guò)查閱各種設(shè)計(jì)資料手工進(jìn)行，編制效率低，且編制結(jié)果因人而異，編制結(jié)果的科學(xué)性、規(guī)范性及傳承性也難以保證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(Computer Aided Process Planning，簡(jiǎn)稱CAPP)也得到了發(fā)展。

    CAPP產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，但在80年代以后才得到較大的發(fā)展，先后經(jīng)歷了派生式、創(chuàng)成式和專家系統(tǒng)等幾個(gè)發(fā)展階段。經(jīng)過(guò)多年的研究與開(kāi)發(fā)，目前國(guó)內(nèi)外也有不少較為成熟的CAPP系統(tǒng)，如美國(guó)普度大學(xué)的APPAS及TIPPS，柏林工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的CAPSYS等，我國(guó)的有同濟(jì)大學(xué)開(kāi)發(fā)的TOJICAPP，華中理工大學(xué)的RCAP等。這些系統(tǒng)多數(shù)為檢索式的CAPP，系統(tǒng)必須通過(guò)與用戶大量的交互操作，才能最后生成符合要求的工藝卡片。

    系統(tǒng)的作用一是起到了電子技術(shù)手冊(cè)的作用，系統(tǒng)中存儲(chǔ)了各種相關(guān)手冊(cè)供查詢；二是起到了電子工藝卡片的作用，將原來(lái)用戶必須在紙質(zhì)的工藝卡片上填寫(xiě)的內(nèi)容換到電腦上填寫(xiě)。其工藝規(guī)程的編制仍然少不了經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝人員，因此CAPP的出現(xiàn)并沒(méi)有從根本上為企業(yè)解決工藝人員匾乏的問(wèn)題。產(chǎn)生以上問(wèn)題的主要原因就是系統(tǒng)的智能性難以實(shí)現(xiàn)，由于工藝規(guī)程的制訂需要考慮的因素較多且很多需要借助于專家的經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)很難形成計(jì)算機(jī)的智能系統(tǒng)。因此CAPP的發(fā)展一直落后于CAD和CAM的發(fā)展，成為計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。本文通過(guò)常見(jiàn)的軸類零件，探討了CAPP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)問(wèn)題。

2 軸類零件CAPP系統(tǒng)的功能規(guī)劃

    系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，按功能不同劃分為4大模塊，如圖1所示。

圖1 軸類零件CAPP系統(tǒng)的功能規(guī)劃

    (1)零件信息輸入模塊：用于用戶交互輸入與零件相關(guān)的基本信息，比如：零件的CAD參數(shù)信息以及相應(yīng)的加工信息等，這些信息是進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和推理依據(jù)。目前計(jì)算機(jī)還不能像人一樣識(shí)別零件圖紙所包含的各種信息，另外CAPP系統(tǒng)與其它機(jī)械 CAD軟件在通訊上還存在一些障礙，CAD軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果還需要人工協(xié)助轉(zhuǎn)化為CAPP系統(tǒng)能夠識(shí)別的信息。

    (2)工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)：是CAPP系統(tǒng)的主體及核心，其作用是以零件信息為基礎(chǔ)，按既定的推理邏輯與順序，推理、計(jì)算出相關(guān)的加工工藝路線和加工工藝參數(shù)。該模塊編制水平的高低直接關(guān)系到設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)劣，因此必須建立在工藝編制人員和鍛造專家們長(zhǎng)期積累的成熟經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，并能最大限度地模擬工藝專家的智慧。本模塊核心是知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)。

    (3)工藝文件管理模塊：工藝規(guī)程制訂后是以表格或卡片的形式確定下來(lái)，作為生產(chǎn)準(zhǔn)備和施工的依據(jù)，這些表格或卡片統(tǒng)稱為工藝文件。機(jī)械加工工藝規(guī)程卡片主要包括機(jī)械加工工藝過(guò)程卡片、機(jī)械加工工藝卡片和機(jī)械加工工序卡片3種類型。CAPP系統(tǒng)最終必須能夠生成并輸出完備的、標(biāo)準(zhǔn)的工藝文件。工藝文件管理模塊的作用就是將工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)結(jié)果輸出成標(biāo)準(zhǔn)的工藝規(guī)程卡片，并可對(duì)已有的卡片進(jìn)行查詢、修改、保存、刪除、打印以及輸出等操作。

    (4)數(shù)據(jù)庫(kù)及管理模塊：是本系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，也是系統(tǒng)完成功能的基礎(chǔ)。它由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)即工藝知識(shí)庫(kù)和工藝文件庫(kù)組成。工藝知識(shí)庫(kù)用于存放與工藝設(shè)計(jì)相關(guān)的各種資源及數(shù)據(jù)，比如設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式、設(shè)備及原材料情況、公差余量數(shù)據(jù)、材料的熱處理信息等等；工藝文件庫(kù)用于存放工藝文件的標(biāo)準(zhǔn)模板及成形的工藝文件。數(shù)據(jù)庫(kù)管理用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的組織和管理，包括更新、查詢數(shù)據(jù)和防止數(shù)據(jù)的意外丟失及破壞等功能。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)處理

    3.1 專家系統(tǒng)推理機(jī)的實(shí)現(xiàn)

    如前所述，專家系統(tǒng)是CAPP系統(tǒng)的核心，而建立合理的推理機(jī)制是專家系統(tǒng)的關(guān)鍵。階梯軸是軸類零件中應(yīng)用最多的類型之一，多數(shù)的階梯軸都是通過(guò)對(duì)毛坯進(jìn)行鍛造加工而成，下面就以階梯軸鍛造加工為例說(shuō)明推理機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法。

    如圖2所示，每個(gè)階梯軸都包含若干的臺(tái)階與凹檔，但并非所有的臺(tái)階與凹檔都能直接鍛打出來(lái)，其能否鍛出與軸段長(zhǎng)度、臺(tái)階差、臺(tái)階軸總長(zhǎng)以及相鄰直徑的大小等約束條件有關(guān)。對(duì)于不能直接鍛打出來(lái)的臺(tái)階與凹檔，必須通過(guò)添加余塊將相鄰臺(tái)階或凹檔歸并成一個(gè)軸段再進(jìn)行鍛打。余塊有不同的添加方式，因此相應(yīng)的鍛造工藝也不一樣，好的余塊添加方法能大大減輕機(jī)械加工的工作量，提高鍛造材料的利用率和鍛造的工作效率。就本CAPP系統(tǒng)而言，必須建立有效的專家系統(tǒng)推理機(jī)制以得到最優(yōu)的余塊添加方法進(jìn)而得到最佳的工藝規(guī)程。

圖2 階梯軸的臺(tái)階和凹檔

    (1)推理機(jī)制中設(shè)計(jì)變量的選�。阂噪A梯軸各軸段的軸徑xi(i=1，2…，n)為設(shè)計(jì)變量，n為階梯軸軸段數(shù)目，有：

X={x1，x2，……，xn}

    (2)推理機(jī)制中目標(biāo)函數(shù)的建立：取階梯軸的體積(重量)最小為優(yōu)化目標(biāo)，可建立如下的目標(biāo)函數(shù)：

    式中l(wèi)i(i=1，2，…，n)為各軸段長(zhǎng)度，通常由初始條件確定，為常數(shù)。

    (3)臺(tái)階數(shù)量的確定：對(duì)于臺(tái)階和凹檔總數(shù)為N的臺(tái)階軸，它總共可能鍛出的外形數(shù)I按排列組合原理為：

    由此可見(jiàn)，隨著階梯軸段數(shù)的增加，可能的歸并形式將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這也正是手工方式難以獲取最佳鍛造毛坯外形的困難所在。

    (4)臺(tái)階軸優(yōu)化模型的構(gòu)建：

    針對(duì)階梯軸的特點(diǎn)，可將2級(jí)和3級(jí)臺(tái)階定義成6種基本臺(tái)階單元(T2表示2階階梯軸，共有2種外形；T3表示3階階梯軸，共有4種外形)，其它的N級(jí)階梯軸類鍛件都可看成由這6種基本單元組合形成。采用基本臺(tái)階單元技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是降維優(yōu)化處理。為了避免在降維過(guò)程中遺漏最優(yōu)解，本法將階梯軸分成若干基本臺(tái)階單元構(gòu)成的臺(tái)階族，用臺(tái)階矩陣TMn表示：

    推理的約束條件可根據(jù)鍛造手冊(cè)中關(guān)于臺(tái)階與凹檔的鍛出條件進(jìn)行確定。由于階梯軸存在著臺(tái)階與凹檔兩種形式，導(dǎo)致了優(yōu)化的復(fù)雜性，可采取先處理凹檔，剩下的就是純臺(tái)階問(wèn)題了。推理系統(tǒng)采用循環(huán)掃描的方法進(jìn)行處理，最終得出的結(jié)果為既滿足臺(tái)階和凹檔的鍛出條件又是鍛造體積最小的軸。

    3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)

    余量及公差是工藝卡片中需要顯示的一個(gè)重要內(nèi)容，余量和公差一般都有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本CAPP系統(tǒng)運(yùn)用關(guān)系性數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，將整套國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成了數(shù)據(jù)庫(kù)的形式，隨時(shí)供專家系統(tǒng)編制工藝時(shí)進(jìn)行調(diào)用。下面以光軸類鍛件公差和余量的選取為例，說(shuō)明工藝數(shù)據(jù)是如何在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的。

    手冊(cè)中關(guān)于光軸類鍛件的余量和公差是以二維表格的形式出現(xiàn)的，查詢時(shí)分別通過(guò)零件的直徑及長(zhǎng)度兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行確定。這種二維表格建立數(shù)據(jù)庫(kù)的方法通常是建立多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的表，之后通過(guò)SQL語(yǔ)句建立多表之間的聯(lián)合查詢。這種建庫(kù)方式有如下缺點(diǎn)：查詢速度慢，存儲(chǔ)空間大，而且由于數(shù)據(jù)被分別存放在不同表格內(nèi)，不利于工藝人員直觀、方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。

    系統(tǒng)采用變二維為一維將余量及公差歸并到一起只用一個(gè)表格的建庫(kù)方法，如表1所示。其中第一行數(shù)據(jù)為存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的字段名稱，第二行為零件的長(zhǎng)度尺寸，第一列為零件的直徑信息，其他數(shù)據(jù)都是余量和公差信息。余量和公差合成為一個(gè)數(shù)據(jù)，其中小數(shù)點(diǎn)前面為余量數(shù)值，小數(shù)點(diǎn)后第1和第2位為正公差數(shù)值，第3和第4位是負(fù)公差數(shù)值。調(diào)用程序讀取表內(nèi)數(shù)據(jù)后，通過(guò)一個(gè)函數(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分離以得到余量和公差。如8.0303，可分解為余量：8mm，鍛造上偏差+3mm，下偏差-3mm。

表1 余量公差表

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

    運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行工藝規(guī)程的編制時(shí)，首先要求用戶填寫(xiě)一些基本信息，包括零件的基本信息，如產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品型號(hào)、零件名稱、零件編號(hào)、材料牌號(hào)、工藝裝備等；基本鍛造信息，如鍛打火次、鍛造比、鍛件是否要求調(diào)質(zhì)和是否需要去滲碳層等。這些信息有些比較固定的可以用下拉列表框的方式進(jìn)行，而有些特殊的或不常見(jiàn)的信息可由用戶手動(dòng)輸人。

    比如要生成某階梯軸的工藝卡片，需要首先輸人該階梯軸的名稱、圖號(hào)，所屬產(chǎn)品的型號(hào)及名稱，選擇火次、鍛比、裝爐方式等信息。待所有信息輸入完畢后，會(huì)得到相應(yīng)的成套的工藝規(guī)程卡片，圖3為生成的階梯軸鍛造工藝卡片。

圖3 鍛造工藝卡片

5 結(jié)論

    (1)CAPP系統(tǒng)應(yīng)著眼于專用性而非通用性。

    工藝規(guī)程的編制既要考慮基本的加工準(zhǔn)則、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、材料屬性等一般因素，也要考慮企業(yè)自身的加工設(shè)備、生產(chǎn)能力、庫(kù)存等因素，因此既有普遍性，也有特殊性。不同的企業(yè)需要的CAPP系統(tǒng)不盡相同，因此CAPP系統(tǒng)應(yīng)針對(duì)不同企業(yè)區(qū)別對(duì)待，著眼于專用性而非通用性是明智的。

    (2)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù)是CAPP系統(tǒng)的研發(fā)關(guān)鍵，CAPP系統(tǒng)必須具有一定的智能性，而系統(tǒng)智能化程度如何在一定程度上是由這兩項(xiàng)技術(shù)所決定。如何將專家的經(jīng)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)并建立合理的推理應(yīng)用機(jī)制是一個(gè)需要長(zhǎng)期研究的課題。

    (3)本系統(tǒng)在信息共享方面還需要加強(qiáng)。在本系統(tǒng)中，圖形的輸人及輸出自成體系，還無(wú)法與其它CAD軟件進(jìn)行信息交流，無(wú)法直接應(yīng)用CAD軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果，因此系統(tǒng)如何與主流的CAD軟件進(jìn)行信息共享還需要進(jìn)行研究。

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本文標(biāo)題：軸類零件CAPP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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